CAN總線的詳細資料講解

嵌入式的工程師一般都知道CAN總線廣泛應用到汽車中，其實船艦電子設備通信也廣泛使用CAN，隨著國家對海防的越來越重視，對CAN的需求也會越來越大。這個暑假，通過參加蘇州社會實踐，去某船舶電氣公司實習幾周，也借此機會，學習了一下CAN總線。

概述

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡。

想到CAN就要想到德國的Bosch公司，因為CAN就是這個公司開發的（和Intel）

CAN有很多優秀的特點，使得它能夠被廣泛的應用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠到10km，無損位仲裁機制，多主結構。

近些年來，CAN控制器價格越來越低，很多MCU也集成了CAN控制器?，F在每一輛汽車上都裝有CAN總線。

一個典型的CAN應用場景：

CAN總線標準

CAN總線標準只規定了物理層和數據鏈路層，需要用戶自定義應用層。不同的CAN標準僅物理層不同。

CAN收發器負責邏輯電平和物理信號之間的轉換。

將邏輯信號轉換成物理信號（差分電平），或者將物理信號轉換成邏輯電平。

CAN標準有兩個，即IOS11898和IOS11519，兩者差分電平特性不同。

高低電平幅度低，對應的傳輸速度快；

*雙絞線共模消除干擾，是因為電平同時變化，電壓差不變。

物理層

CAN有三種接口器件

多個節點連接，只要有一個為低電平，總線就為低電平，只有所有節點輸出高電平時，才為高電平。所謂“線與”。

CAN總線有5個連續相同位后，就插入一個相反位，產生跳變沿，用于同步。從而消除累積誤差。

和485、232一樣，CAN的傳輸速度與距離成反比。

CAN總線，終端電阻的接法：

為什么是120Ω，因為電纜的特性阻抗為120Ω，為了模擬無限遠的傳輸線

數據鏈路層

CAN總線傳輸的是CAN幀，CAN的通信幀分成五種，分別為數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。

數據幀用來節點之間收發數據，是使用最多的幀類型；遠程幀用來接收節點向發送節點接收數據；錯誤幀是某節點發現幀錯誤時用來向其他節點通知的幀；過載幀是接收節點用來向發送節點告知自身接收能力的幀；用于將數據幀、遠程幀與前面幀隔離的幀。

數據幀根據仲裁段長度不同分為標準幀（2.0A）和擴展幀（2.0B）

幀起始

幀起始由一個顯性位（低電平）組成，發送節點發送幀起始，其他節點同步于幀起始；

幀結束由7個隱形位（高電平）組成。

仲裁段

CAN總線是如何解決多點競爭的問題？

由仲裁段給出答案。

CAN總線控制器在發送數據的同時監控總線電平，如果電平不同，則停止發送并做其他處理。如果該位位于仲裁段，則退出總線競爭；如果位于其他段，則產生錯誤事件。

幀ID越小，優先級越高。由于數據幀的RTR位為顯性電平，遠程幀為隱性電平，所以幀格式和幀ID相同的情況下，數據幀優先于遠程幀；由于標準幀的IDE位為顯性電平，擴展幀的IDE位為隱形電平，對于前11位ID相同的標準幀和擴展幀，標準幀優先級比擴展幀高。

控制段

共6位，標準幀的控制段由擴展幀標志位IDE、保留位r0和數據長度代碼DLC組成；擴展幀控制段則由IDE、r1、r0和DLC組成。

數據段

為0-8字節，短幀結構，實時性好，適合汽車和工控領域；

CRC段

CRC校驗段由15位CRC值和CRC界定符組成。

ACK段

當接收節點接收到的幀起始到CRC段都沒錯誤時，它將在ACK段發送一個顯性電平，發送節點發送隱性電平，線與結果為顯性電平。

遠程幀

遠程幀分為6個段，也分為標準幀和擴展幀，且RTR位為1（隱性電平）

CAN是可靠性很高的總線，但是它也有五種錯誤。

CRC錯誤：發送與接收的CRC值不同發生該錯誤；

格式錯誤：幀格式不合法發生該錯誤；

應答錯誤：發送節點在ACK階段沒有收到應答信息發生該錯誤；

位發送錯誤：發送節點在發送信息時發現總線電平與發送電平不符發生該錯誤；

位填充錯誤：通信線纜上違反通信規則時發生該錯誤。

當發生這五種錯誤之一時，發送節點或接受節點將發送錯誤幀

為防止某些節點自身出錯而一直發送錯誤幀，干擾其他節點通信，CAN協議規定了節點的3種狀態及行為

過載幀

當某節點沒有做好接收的“準備”時，將發送過載幀，以通知發送節點。

幀間隔

用來隔離數據幀、遠程幀與他們前面的幀，錯誤幀和過載幀前面不加幀間隔。

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構建CAN節點

構建節點，實現相應控制，由底向上分為四個部分：CAN節點電路、CAN控制器驅動、CAN應用層協議、CAN節點應用程序。

雖然不同節點完成的功能不同，但是都有相同的硬件和軟件結構。

CAN收發器和控制器分別對應CAN的物理層和數據鏈路層，完成CAN報文的收發；功能電路，完成特定的功能，如信號采集或控制外設等；主控制器與應用軟件按照CAN報文格式解析報文，完成相應控制。

CAN硬件驅動是運行在主控制器（如P89V51）上的程序，它主要完成以下工作：基于寄存器的操作，初始化CAN控制器、發送CAN報文、接收CAN報文；

如果直接使用CAN硬件驅動，當更換控制器時，需要修改上層應用程序，移植性差。在應用層和硬件驅動層加入虛擬驅動層，能夠屏蔽不同CAN控制器的差異。

一個CAN節點除了完成通信的功能，還包括一些特定的硬件功能電路，功能電路驅動向下直接控制功能電路，向上為應用層提供控制功能電路函數接口。特定功能包括信號采集、人機顯示等。

CAN收發器是實現CAN控制器邏輯電平與CAN總線上差分電平的互換。實現CAN收發器的方案有兩種，一是使用CAN收發IC（需要加電源隔離和電氣隔離），另一種是使用CAN隔離收發模塊。推薦使用第二種。

CAN控制器是CAN的核心元件，它實現了CAN協議中數據鏈路層的全部功能，能夠自動完成CAN協議的解析。CAN控制器一般有兩種，一種是控制器IC（SJA1000），另一種是集成CAN控制器的MCU（LPC11C00）。

MCU負責實現對功能電路和CAN控制器的控制：在節點啟動時，初始化CAN控制器參數；通過CAN控制器讀取和發送CAN幀；在CAN控制器發生中斷時，處理CAN控制器的中斷異常；根據接收到的數據輸出控制信號；

接口管理邏輯：解釋MCU指令，尋址CAN控制器中的各功能模塊的寄存器單元，向主控制器提供中斷信息和狀態信息。

發送緩沖區和接收緩沖區能夠存儲CAN總線網絡上的完整信息。

驗收濾波是將存儲的驗證碼與CAN報文識別碼進行比較，跟驗證碼匹配的CAN幀才會存儲到接收緩沖區。

CAN內核實現了數據鏈路的全部協議。

CAN協議應用層概述

CAN總線只提供可靠的傳輸服務，所以節點接收報文時，要通過應用層協議來判斷是誰發來的數據、數據代表了什么含義。常見的CAN應用層協議有：CANOpen、DeviceNet、J1939、iCAN等。

CAN應用層協議驅動是運行在主控制器（如P89V51）上的程序，它按照應用層協議來對CAN報文進行定義、完成CAN報文的解析與拼裝。例如，我們將幀ID用來表示節點地址，當接收到的幀ID與自身節點ID不通過時，就直接丟棄，否則交給上層處理；發送時，將幀ID設置為接收節點的地址。

CAN收發器

SJA1000的輸出模式有很多，使用最多的是正常輸出模式，輸入模式通常不選擇比較器模式，可以增大通信距離，并且減少休眠下的電流。

收發器按照通信速度分為高速CAN收發器和容錯CAN收發器。

同一網絡中要使用相同的CAN收發器。

CAN連接線上會有很多干擾信號，需要在硬件上添加濾波器和抗干擾電路

也可以使用CAN隔離收發器（集成濾波器和抗干擾電路）。

CAN控制器與MCU的連接方式

SJA1000可被視為外擴RAM，地址寬度8位，最多支持256個寄存器

#define REG_BASE_ADDR 0xA000 // 寄存器基址 unsigned char *SJA_CS_Point = （unsigned char *） REG_BASE_ADDR ; // 寫SJA1000寄存器 void WriteSJAReg（unsigned char RegAddr， unsigned char Value） { *（SJA_CS_Point + RegAddr） = Value; return; } // 讀SJA1000寄存器 unsigned char ReadSJAReg（unsigned char RegAddr） { return （*（SJA_CS_Point + RegAddr））; }

將緩存區的數據連續寫入寄存器

…… for （i=0;i《len;i++） { WriteSJAReg（RegAdr+i，ValueBuf［i］）; }……

將連續多個寄存器連續讀入緩存區

…… for （i=0;i《len;i++） { ReadSJAReg（RegAdr+i，ValueBuf［i］）; }……

頭文件包含方案：

每個程序包含用到的頭文件

每個程序包含一個公用頭文件，公用頭文件包含所有其他頭文件

#ifndef __CONFIG_H__ // 防止頭文件被重復包含 #define __CONFIG_H__ #include 《8051.h》 // 包含80C51寄存器定義頭文件 #include “SJA1000REG.h” // 包含SJA1000寄存器定義頭文件 // 定義取字節運算 #define LOW_BYTE（x） （unsigned char）（x） #define HIGH_BYTE（x） （unsigned char）（（unsigned int）（x） 》》 8） // 定義振蕩器時鐘和處理器時鐘頻率（用戶可以根據實際情況作出調整） #define OSCCLK 11059200UL // 宏定義MCU的時鐘頻率 #define CPUCLK （OSCCLK / 12） #endif // __CONFIG_H__

SJA1000上電后處于復位狀態，必須初始化后才能工作。

（1）置位模式寄存器Bit0位進入復位模式；

（2）設置時鐘分頻寄存器選擇時鐘頻率、CAN模式；

（3）設置驗收濾波，設定驗證碼和屏蔽碼；

（4）設置總線定時器寄存器0、1設定CAN波特率；

（5）設置輸出模式；

（6）清零模式寄存器Bit0位退出復位模式；

模式寄存器

只檢測模式：SJA1000發送CAN幀時不檢查應答位；

只聽模式：此模式下SJA1000不會發送錯誤幀，用于自動檢測波特率；SJA1000以不同的波特率接收CAN幀，當收到CAN幀時，表明當前波特率與總線波特率相同。

波特率設置

CAN總線無時鐘，使用異步串行傳輸；波特率是1秒發送的數據位；

CAN幀發送：

發送CAN幀的步驟：1.檢測狀態寄存器，等待發送緩沖區可用；

2.填充報文到發送緩沖區；

3.啟動發送。

SJA1000具有一個12字節的緩沖區，要發送的報文可以通過寄存器16-28寫入，也可通過寄存器96-108寫入或讀出

設置發送模式

char SetSJASendCmd（unsigned char cmd） { unsigned char ret; switch （cmd） { default： case 0： ret = SetBitMask（REG_CAN_CMR， TR_BIT）; //正常發送 break; case 1： ret = SetBitMask（REG_CAN_CMR， TR_BIT|AT_BIT）; //單次發送 break; case 2： ret = SetBitMask（REG_CAN_CMR， TR_BIT|SRR_BIT）;//自收自發 break; case 0xff： ret = SetBitMask（REG_CAN_CMR， AT_BIT）;//終止發送 break; } return ret; }

發送函數

unsigned char SJA_CAN_Filter［8］ = { // 定義驗收濾波器的參數，接收所有幀 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， // ACR0~ACR3 0xff， 0xff， 0xff， 0xff // AMR0~AMR3 }; unsigned char STD_SEND_BUFFER［11］ = { // CAN 發送報文緩沖區 0x08， // 幀信息，標準數據幀，數據長度 = 8 0xEA， 0x60， // 幀ID = 0x753 0x55， 0x55， 0x55， 0x55， 0xaa， 0xaa， 0xaa， 0xaa // 幀數據 }; void main（void） // 主函數，程序入口{ timerInit（）;// 初始化 D1 = 0; SJA1000_RST = 1; // 硬件復位SJA1000 timerDelay（50）; // 延時500ms SJA1000_RST = 0; SJA1000_Init（0x00， 0x14， SJA_CAN_Filter）; // 初始化SJA1000，設置波特率為1Mbps // 無限循環，main（）函數不允許返回 for（;;） { SJASendData（STD_SEND_BUFFER， 0x0）; timerDelay（100）; // 延時1000ms } }

為什么幀ID是0x753，這與CAN幀在緩沖區的存儲格式有關。

終端電阻非常重要，當波特率較高而且沒加終端電阻時，信號過沖非常嚴重。

SJA1000有64個字節的接收緩沖區（FIFO），這可以降低對MCU的要求。MCU可以通過查詢或中斷的方式確定SJA1000接收到報文后讀取報文。